Transcript 燃料電池報告固態氧化物燃料電池(電池堆結構)

電池堆結構
• 管式與平板式SOFC之電池堆比較
• 管式SOFC電池堆結構
• 平板式SOFC電池堆結構
• 其他型式之SOFC電池堆結構
電池堆結構(1)
管式與平板式SOFC之電池堆比較
由於構成SOFC的所有元件都是固體，因此電池
結構與外型具有多樣性，可依照不同需求與環境
進行設計，目前常用的設計有管式結構與平板式
結構兩種，兩者之製程技術、密封技術、以及電
阻等特徵之比較如表
電池堆結構(2)
特徵
管式SOFC
平板式SOFC
製程技術
複雜
(擠壓成型、電化學沉積、
電漿噴塗、漿塗等)
簡單
(帶鑄、燒結)
密封技術
內電阻
成本
操作溫度
容易
高
高
1000℃
困難
低
低
800℃以下
平板式SOFC的主要缺點是高溫密封困難 , 熱循環差 。過去幾年間 ,
許多公司已成功開發出玻璃或陶瓷的複合無機密封材料,解決SOFC高溫
密封之問題,目前全世界固態氧化物燃料電池研究有70%集中在平板式固
態氧化物燃料電池的開發工作。
電池堆結構(3)
管式SOFC電池堆結構
雙極連結材料
空氣電極
電解質
燃料電極
西門子西屋公司圓管式固態氧化物燃料電池與系統示意圖
電池堆結構(4)
圓管式SOFC之組成
如下圖所示 , 每跟管子都是一個單電池 , 從裡到外分別由空
氣電極、電解質、燃料電、以及雙極連結材料等四層所組
成。
離開燃料電極的未完全反應之燃料氣體可以有兩種不同的
處理方式 , 一種是與空氣在燃燒室混合後進行燃燒 , 所得餘
熱可作為燃料電池進口空氣預熱之用 , 第二種則是將其導回
燃料氣體迴路中在
重新進入燃料電池進行電化學反應,如圖所示
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電池堆結構(6)
SOFC結構設計重點
一般而言 , 在高溫操作下的SOFC其電極極化並不大 ,
造成電位損失主要來自於各元件的歐姆阻抗 , 因此 ,
選擇高導電度材料以及降低各元件之厚度成為SOFC
結構設計的重點。
SOFC的歐姆阻抗將有45%來自陰極、18%來自陽極、
12%來自電解質、而剩下25%則來自雙極連接材料。
針對圓管式SOFC高歐姆阻抗的問題 , 西門子西屋公
司提出扁平管固態氧化物燃料電池(flat-tube SOFC)的
設計 , 又稱作HPD SOFC , 下圖所示
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傳統及扁平SOFC之比較:
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西門子西屋HPD SOFC的設計中 , 將傳統SOFC圓管扁平
化 , 並且在空氣電極中間加裝肋條隔板 , 以提供電流捷徑
並作為空氣流到之用 , HPD SOFC的設計有以下幾項優點:
1)扁平管可以縮短電流平均路徑長度並同時增加電流路徑
截面積 , 如此
可以降電池歐姆阻抗、增加輸出功率。
2)扁平管內可採用較薄的空氣電極 , 以降低濃度極化提高
輸出功率。
電池堆結構(9)
3)扁平管可以有效減少了管與管間的閒置空間 , 相同輸出
功率下可以節
省電池堆所需的空間 , 式傳統圓管的1/3長。
4)由於肋條已經隔出空氣流道 , 扁平管無須供應空氣之氧
化鋁導管。
在單位質量的輸出功率 , 扁平管較傳統圓管SOFC高
出 約 77% , 在 單 位 體 積 輸 出 功 率 的 改 進 程 度 則 可 達 到
185% ; 此外 , 在固定的輸出功率之
下 , 扁平管SOFC所需的單電池數明顯較少。
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圓管SOFC與扁平管SOFC電流路徑及性能比較
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圓管SOFC與扁平SOFC性能之比較
(操作溫度 : 950℃ , 操作電壓 : 0.65V)
特徵
種類
圓管SOFC
扁平管SOFC
EDB/Elsam
a
HPD4b
HPD4
HPD12
電池長度
150
50
50
50
10kW之電池數
79
114
73
49
單電池輸出功率(W)
126
88
136
205
比功率(W/kg)
113
191
203
200
單位體積輸出功率(W/L)
136
297
409
388
a : 在荷蘭EDB/Elsam運轉之110-Kw常壓型圓管SOFC系統。
b : High Power Density SOFC , 下標表示所使用肋條數。
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平板式SOFC電池堆結構
平板式SOFC的設計是先將空氣電極、固態電解質、
以及燃料電極燒結為一體型成三合一結構
PEN(positive
electrode-electrolyte-negative
electrode plate) , 然後在PEN板與PEN板之間以雙
面皆刻有流道的雙即連接板串聯 , 空氣和燃料氣體
則分別從雙及連接板兩面的氣體流道中交叉流道。
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平板式SOFC之PEN板組成
早期平板式SOFC PEN板及目前PEN板之比較
早期PEN板
近代PEN板
900 ~ 1000℃
特殊材料
700 ~ 800℃
一般不銹鋼
歐姆電阻
電解質
高
厚
低
薄
製作成本
高
低
特徵
種類
操作溫度
雙及連接材料
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將原先電解質支撐設計變更為陽極支撐厚度增加，
將電解質隔膜製作很薄以降低歐姆電阻增加功率密度。
左圖堆疊SOFC操作溫度只需700~800℃，如此低溫操作
環境可以直接使用金屬雙極連接材料，例如不銹鋼，金
屬雙極板耐久性比陶瓷好，並作為承受結構元件使電池
堆的抗破壞及抗熱應力增加，不僅降低成本、降低電阻，
並可解決熱膨脹問題。
電池堆結構(15)
平板式SOFC之PEN板製程
˙多次燒結平板SOFC PEN板製程
先以帶鑄法製作陽極為之撑層並以真空電漿噴塗上電解
質層 , 兩者在1400℃溫環境下進行第一次燒結,第二次燒
結則是陰極 層網印在電解質層上後進行。 目前使用在傳
統電力市場，住宅、商業用、工業用/現場型發電機及公
共事業用電廠等。
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雙極連接板
連接板
(沖壓)成型
多次燒結製程
陽極
漿料
製備
電解質
連接板
切割
表面塗層
(銅膜)
銅鋅合
金焊
燒結
磨邊
陰極
漿料
製備
漿料
製備
組裝
脫模/
裁切
帶鑄
真空電漿
鍍層
滑鑄
網印
真空電漿
鍍層
漿塗
漿塗
燒結
1400℃
品管
裂痕檢驗
網印
電池堆組裝
電池堆結構(17)
˙單次燒結平板SOFC PEN板製程
先將陽極、電解質、以及陰極層以帶鑄法製作成帶
狀薄層 ,然後將三種薄層依序堆疊或滾壓成PEN板 ,
最後再以兩種不同的壓力進行一次燒結。分析結果
顯示 , 平板SOFC以單次燒結製程的製作成本大約
較多次燒結製程低10%左右。
電池堆結構(18)
單次燒結製程
雙極連接板
電解質
漿料製備
帶鑄
連接板
(沖壓)成型
連接板
切割
表面塗層
(銅膜)
銅鋅合
金焊
滑鑄
組裝
陰極
漿料製備
帶鑄
滑鑄
陽極
漿料製備
帶鑄
滑鑄
脫模/裁
切
堆疊
滾軋
脫模/裁
切
燒結
品管
裂痕檢驗
磨邊
電池堆組裝
電池堆結構(19)
其他型式之SOFC電池堆結構
大功率的平板SOFC電池堆組合與其他類型的燃料電池樣 ,
由PEN板與雙極連接板依序堆疊成多層三明治結構 , 如圖
示,PEN板間以金屬雙極板連結,金屬板的流場結構以沖壓
成壓型。由於PEN板屬於陶瓷材料,質地脆弱結構強度不
足,抗拉伸強度一般只有抗壓強度的20%,不易製程大面積
的PEN板,依目前技術PEN板最大面製作面積25㎝╳25㎝。
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
波浪狀PEN板固態氧化物燃料電池又稱單塊疊層結
構 固態氧化物燃料電池模塊(monoblok layer built ,
MOLB)有效工作面積大,功率密度較高,主要缺點:製
作技術困難,由於電解質材料脆性很大,波浪狀的PEN
板必須經過共同燒結一次成型,燒結條件的控制要求
十分嚴格。
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•瑞士Sulzer Hexis公司開發一種以中空圓盤式PEN板所堆疊
而成的SOFC, 又稱熱交換一體成型電池堆(heat exchange
integrated stack , HEXIS)。
•HEXIS的PEN板也是一種平板式結構,與傳統方型或矩形不
同之處是PEN板的形狀是環狀圓盤。
•燃料氣體與空氣在圓盤式設計的電池內的流動方式與平板
式SOFC有所不同,HEXIS的環狀圓盤不但是具有連結陰極、
陽極和分配氣體作用,而且本身也是一個熱交換器。
•燃料氣體從圓盤中心的燃料氣體共用管道進入陽極圓環,放
射狀地通過燃氣通道後從圓盤外緣出口排出,然後與從空氣
氣體通道出口排出的剩餘空氣混合後至後燃器內進行燃燒,
餘熱則以熱回收系統回收使用。
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另一款類似HEXIS結構之圓柱型SOFC電池堆。此圓
柱型結構的SOFC電池堆為Technology Management ,
Inc. (TMI)所開發之新產品。
 TMI的整合型SOFC系統設計中，將燃料重整器置於底
座內，由25個圓盤狀的電池單元堆疊而成之圓柱型電
池堆，並組立於重整器上面。
 燃料氣體與水同時經過燃料處理器，從圓柱上方沿著
中心軸進入燃料電池堆，以放射狀方式流過陽極圓盤。
 空氣則從底座進入燃料電池，與燃料氣體方向相反，
沿著圓柱中心兩側以放射方式通過陰極圓盤。
 未反應燃料氣體則與圓環外空氣進行燃燒，餘熱供燃
氣蒸氣重整反應的熱源，進口空氣用來冷卻電池堆。
 TMI的SOFC特色與硫化物容忍度高，使用含量
300ppm H2S的氫氣燃燒時，用轉時間可超過1,000小
時。

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電池堆結構(27)
固態氧化物燃料電池堆經過消費者,日新月異之需求,加上各
公司之研發設計求新求變之精神,從PEN傳統矩形式及波浪
式,一在研發改善目前已有圓盤式及圓柱型式燃料電池堆,設
計者構思回收餘熱再利用。
目前科技發展迅速，固態氧化物SOFC燃料電池以慢慢進
入一般家庭生活必備,想必在不久之後固態氧化物SOFC燃
料電池將可發展使用於食衣住行各方面相關產品上。
目前市場上二次電池已發展相當快速，成為日常不可或缺之
電力來源，鎳氫；鎳鎘；鋰電池等鎳氫及鎳鎘等相關產品屬
於記憶性電池使用需作放電程序方可延常使用壽命。
鋰電池目前使用率很高，行動電話、筆記型電等均已使用
因為不屬於記憶性燃料電池，電池不需放電，使用壽命長，
使用時間較一般鎳氫及鎳鎘等電池長。